细胞生物学-细胞分化

第十二章细胞分化Human:1014 cells, 200 cell types由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化。细胞分化 Cell differentiation 上皮组织 肌肉组织神经组织 结缔组织细胞分化在胚胎时期达到最大限度（一）（一） 细胞分化是基因选择性表达的结果分子杂交技术检测基因及其表达如鸡的输卵管细胞合成 卵清蛋白 ，成红细胞合成 -珠蛋白 ，胰岛细胞合成 胰岛素 ，这些细胞都是在个体发育中逐渐产生的。用 上述三种蛋白的基因分别作探针 ，对三种细胞中提取的总 DNA的限制性酶切片段进行 Southern杂交实验。 本质：本质： 细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞能行使不同的功能（分工）能行使不同的功能（分工） ；不同的细胞类型（不同的细胞类型（ cell types)中，中， DNA相同，相同，mRNA种类不同，蛋白质种类不同。种类不同，蛋白质种类不同。结论：相同的基因组在不同细胞中的选择性表达结论：相同的基因组在不同细胞中的选择性表达；细胞分化是基因选择性表达的结果。；细胞分化是基因选择性表达的结果。（二）（二） 组织特异性基因与管家基因组织特异性基因与管家基因管家基因是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的； e.g., 肌动蛋白、微肌动蛋白、微管蛋白、组蛋白、核糖体蛋白、管蛋白、组蛋白、核糖体蛋白、 TAC 循环的关键酶，循环的关键酶， etc.管家基因 (house-keeping genes)：或称奢侈基因 (luxury genes)，是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能。 e.g., 卵清蛋白、胰岛素卵清蛋白、胰岛素、血红蛋白，、血红蛋白， etc.组织特异性基因 (tissue-specific genes)产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或者起阻遏作用。调节基因：细胞分化过程是由一系列基因产物（细胞分化过程是由一系列基因产物（ regulatory proteins）调控的。）调控的。i.e., 每个基因的表达都必须：每个基因的表达都必须：在正确的细胞中；在正确的细胞中；在正确的时间；在正确的时间；对正确的信号产生正确的反应；对正确的信号产生正确的反应；产生正确的表达水平。产生正确的表达水平。问题：细胞是如何协调（问题：细胞是如何协调（ coordinate）这一过程的？）这一过程的？（三）组织特异性基因调控的基本模式（三）组织特异性基因调控的基本模式调控蛋白，如同单词和文章调控蛋白，如同单词和文章Limited words unlimited meaning组合调控概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化组合调控组合调控 引发组织特异性基因的表达分化 启动机制：在启动细胞分化的各类调节蛋白组合中，其中往往是只有一两种调控蛋白是起决定性的因子。这样，单一调控蛋白就有可能启动整个的细胞分化过程。体外培养的来自皮肤结缔组织的成纤维细胞转入关键性调控蛋白 MyoD皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征 :如表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白构成收缩器，并融合成肌细胞样的多核细胞等。借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成 。例子：果蝇眼形成的关键调控蛋白例子：果蝇眼形成的关键调控蛋白 eyEy蛋白除了能启动细胞某些特异基因的表达，诱导某类分化外，其启动的某些基因本身可能又是另一些基因调节蛋白，它们进一步启动其他特异基因表达，诱导分化更多的细胞类型，形成由多种不同类型细胞组成的有序三维群体即导致器官形成。果蝇 ey基因转入第三节 影响细胞分化的因素是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。 细胞的全能性 (totipotency)：e.g.，受精卵、早期胚胎细胞；，受精卵、早期胚胎细胞；植物体细胞胚胎发生（植物体细胞胚胎发生（ plant somatic embryogenesis）（基础、内因）（基础、内因）动物细胞的全能性如蛙 skin细胞核移植后发育成蝌蚪Dolly羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性Dolly: A lamb with no father 高度分化的动植物体细胞，在遗传高度分化的动植物体细胞，在遗传背景（基因组背景（基因组 DNA)和功能上均是全和功能上均是全能的。能的。多莉羊的克隆多莉羊的克隆细胞核始终保持其分化的全能 胚胎干细胞 （ embryonic stem cell,ES细胞）指从 原始生殖细胞或原始生殖细胞或 着 床前的内细胞团 获得的一种具有多潜能性、可发育成为各种细胞 、 同时可保持不分化状态而持续生长的克隆细胞系。( 胚胎 ) 滋养层a.取自终止妊娠的胎儿的性器官组织。 人胚胎干细胞的来源b.取自体外受精胚胎囊胚期内层细胞。c.通过体细胞核转移技术获得胚泡用于制造转基因动物用于制造转基因动物受精后第 3.5 天的囊胚骨髓多能造血干细胞，它可分化出十二种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。多能干细胞（ stem cell）动物细胞随着胚胎的发育，细胞丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。具有多潜能性的细胞称为多能干细胞。单能干细胞 Monopotential stem cell终末分化 :由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程 。只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。如上皮组织基底层的干细胞。从全能性到多能性，再到单能性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。干细胞干细胞来源来源胚胎干细胞（胚胎干细胞（ embryonic stem cells, ESC）成体干细胞：造血（骨髓）干细胞成体干细胞：造血（骨髓）干细胞神经干细胞神经干细胞肝脏干细胞肝脏干细胞 功能功能多潜能干细胞（多潜能干细胞（ pluripotent stem cells）定向干细胞定向干细胞 （ directional stem cells）可以定义为一类具有分裂和分化能力的细胞。干细胞1胞外信号分子对细胞分化的影响 （二）影响细胞分化的因素胚胎诱导 :早期胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用，也称为胚胎诱导。近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素（又称细胞生长分化因子）来实现的。 眼的发生中本身的逐级诱导过程 。正常情况下，早期的视泡诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育成晶状体，随后在视泡和晶状体的共同诱导下外面的表皮细胞形成角膜。如果把早期的视泡移植在头部的其它部位，也可诱导与之接触的外胚层发育成晶状体。例证这种作用出现在发育的晚期 ,激素引起的反应是按预先决定的分化程序进行的 ,其作用主要是引起靶细胞进行分化。例如无尾两栖类的幼体发育要经过一变态阶段 ,在此阶段中发生的变化有蝌蚪的尾鳍和尾部被吸收 ,前后肢形成等。这些变化与甲状腺分泌的甲状腺素有关系。远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过 激素来调节的 例如 果蝇成虫盘 的移植实验。 果蝇成虫盘是幼虫体内的 未分化 的细胞团，决定成虫的腿、翅、触角和躯体的其他结构。 将幼虫的成虫盘一部分进行移植实验 ：移植到另一幼虫体内 按决定方向发育分化。成虫盘移植到成虫体内 -果蝇腹腔不断增殖保持未分化状态，时间长达 9年，繁殖 1800代后，再取出移植到幼虫体内，当幼虫变态时，被移植的成虫盘细胞仍发育成相应结构2. 细胞决定的稳定性和遗传性定义定义 ： 是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其它细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。a. 正反馈途径（正反馈途径（ positive feedback loop）即细胞接受信号刺激后，）即细胞接受信号刺激后，活化转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因的表达，活化转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因的表达，还诱导其它组织特异性基因的表达还诱导其它组织特异性基因的表达本质本质 ：特定的基因表达谱式在细胞增殖过程中的传递。：特定的基因表达谱式在细胞增殖过程中的传递。b.染色